La ricerca di una migliore batteria agli ioni di litio, una che potrebbe far funzionare un telefono cellulare per giorni, aumentare l'autonomia delle auto elettriche e massimizzare lo stoccaggio di energia su una rete:è una ricerca continua, ma un recente studio condotto dagli scienziati Canadian Light Source (CLS) con il National Research Council of Canada (NRC) ha mostrato che la risposta può essere trovata nella chimica.

"Le persone hanno provato di tutto a livello ingegneristico per migliorare le batterie, " ha detto il dottor Yaser Abu-Lebdeh, un alto funzionario di ricerca presso l'NRC, "ma per migliorare la loro capacità, devi giocare con la chimica dei materiali."

Le batterie al litio hanno elettrodi composti da grafite e un legante chiamato difluoruro di polivinilidene (PVDF), spiegò Abu-Lebdeh, che ha lavorato allo studio con colleghi e scienziati dell'NRC presso il CLS. Silicio, però, ha una capacità di litio 10 volte maggiore rispetto alla grafite, quindi ci si è concentrati sulla creazione di un elettrodo composito fatto sia di silicio che di grafite.

Questo sembra essere un percorso praticabile per aumentare la densità energetica delle batterie ricaricabili agli ioni di litio, ma le batterie in silicio composito perdono capacità molto rapidamente durante la pedalata; dopo soli cinque cicli, la loro capacità era persino inferiore agli elettrodi di sola grafite, anche per piccole quantità di silicio nei compositi.

"Il progetto sarebbe stato molto impegnativo da completare senza la capacità del CLS di vedere la chimica dell'interfaccia su scala nanometrica, " afferma Jigang Zhou, scienziato industriale di CLS, un esperto di batterie nel gruppo di ricerca.

Il team ha utilizzato diverse strutture NRC e CLS, compresi i test elettrochimici, microscopia elettronica a scansione e spettroscopia a raggi X, sviluppare un nuovo metodo di caratterizzazione della batteria che dimostri la chimica sulla superficie della batteria. La tecnica potrebbe essere utilizzata per la ricerca in una varietà di batterie ricaricabili, di cui Zhou è entusiasta.

"Per me, la vera bellezza è che questo nuovo metodo di caratterizzazione è un raggio per una nuova comprensione di così tante domande di ricerca sulle batterie, "dice Zhou.

Il team ha applicato la propria tecnica per capire perché anche una piccola quantità di silicio, quando combinato con grafite e il legante, causato il degrado delle batterie. Il problema, Hanno scoperto, era la decomposizione del legante PVDF durante il ciclo della batteria, che si è verificato con elettrodi di sola grafite nonostante le buone prestazioni della batteria.

I loro risultati, pubblicato online dall'American Chemical Society in un documento ad accesso aperto, fornire una guida alla progettazione di leganti più adatti per elettrodi compositi di grafite/silicio, nuovi polimeri che non mostrano alcuna interazione chimica avversa con nessuno dei due componenti, indicando la possibilità di aumentare la capacità della batteria includendo il silicio.

Abu-Lebdeh prevede di vedere lo sviluppo di nuovi leganti che porteranno a un aumento incrementale del contenuto di silicio, a un obiettivo di circa il 20 per cento. Il risultato, Egli ha detto, sarebbero batterie ad alta densità di energia con una capacità tre volte maggiore di quelle con elettrodi di sola grafite. Ha aggiunto che mentre l'aggiunta di silicio aumenta la capacità della batteria, non aumenta il costo se integrato come non-disruptive, inserire la tecnologia negli attuali processi di produzione.

Abu-Lebdeh attribuisce a Zhou e allo scienziato CLS Jian Wang il merito di aver fornito "la comprensione fondamentale che era fondamentale per questo lavoro. Era una ricerca veramente collaborativa, e hanno fornito un pezzo cruciale al puzzle."

Abu-Lebdeh ha descritto i risultati dei ricercatori come una considerazione importante per l'industria delle batterie agli ioni di litio che sta lavorando verso soluzioni convenienti per l'elettronica di consumo di prossima generazione, veicoli elettrici e reti elettriche.